基于改进等效电路模型的高比能量储能锂电池系统功率状态估计

针对高比能量电池大倍率下的电化学特性特殊性,用传统的等效电路模型(equivalent circuit model,ECM)估计功率状态(state of power,SOP)存在精度较低的问题,提出一种拓展的等效电路模型(extended equivalent circuit model,E-ECM)进行SOP估计。分析锂离子动力电池负载电流对极化内阻的影响,基于不同倍率测试和最小二乘的方法建立极化内阻与电流的关系;通过引入SOC偏差△z的概念,来描述电池内部的固相扩散反应引起的扩散压降,对部分SOC区间的△z进行了拟合预测;构建了考虑极化内阻电流依赖性和扩散压降的E-ECM模型,基于E-ECM模型进行电压限制下的10s和180s的SOP估计。搭建了面向单体电池的基本性能实验和SOP最大电流实验平台,分析结果表明,基于模型的最大电流平均误差不超过0.41%、最大误差0.51%左右,基于拟合预测△SOC处的最大电流误差为1.47%,验证了E-ECM模型对SOP估计的有效性和准确性,为锂离子动力电池管理系统功率状态估计与控制提供了理论支撑。     

锂离子电池充放电机械压力特性研究

软包锂离子电池在充放电期间因为锂离子的脱嵌使得电池表面产生形变进而形成机械压力。通过对软包锂离子电池施加一定预紧力后进行正常与滥用的充放电试验研究，揭示电池表面机械压力的变化特性规律。结果表明：在正常充电阶段，电池表面机械压力逐渐增大，在正常放电阶段，电池表面机械压力是一个逐渐恢复的过程；在滥用的过充电与过放电阶段，电池表面机械压力均表现出先缓慢增大后迅速增大(dF/dt>>0)的现象。针对过充电和过放电电池表面机械压力迅速增加的特点，进一步基于滥用特性提出锂离子电池热失控预警电压的确定方法和锂离子电池放电截止电压的确定方法，为软包锂离子电池的安全性设计和电池管理系统中过充电、过放电提供理论依据与方法指导。     

基于增量误差的卡尔曼滤波算法全区间荷电状态估计

在电池管理系统领域，精确的荷电状态SOC（state-of-charge）估计是众多状态估计中最基础的技术之一。但在一些特定的SOC区间段内，便于实际应用的等效电路模型并不能很好地等效电池的特性，故基于传统卡尔曼滤波算法的SOC估计会出现精度下降的问题。提出一种基于增量误差的卡尔曼滤波算法，通过离线分析等效电路模型在各个SOC区间段内的性能优劣，得到各个SOC区间的噪声协方差控制表；将噪声协方差应用于对应的SOC区间段内，从而实现对全区间SOC的精确估计。实验表明在SOC低于20%的区间内，采用基于增量误差的卡尔曼滤波算法可以大大提高SOC估计精度。     

一种锂电池多模组联合均衡系统的设计

车用动力电池组在充放电循环使用中容易出现一致性恶化的现象,这会导致电池容量衰减甚至引发安全问题。为了解决此问题,文中提出了一种基于CAN网络的锂电池多模组联合均衡系统。该系统能够级联多个均衡器,每个均衡器能够利用充电芯片对电池模组进行主动均衡,同时结合小电阻阵列进行被动均衡,并利用串联在均衡器外部的大功率电阻为电池模组提供快速放电均衡。通过设计有效的控制策略与均衡算法,实现了多个模组联合均衡的目的。仿真和实验对控制策略与均衡算法进行了验证,在实验中,电池组电压极差从均衡前的200 mV缩小为均衡后的20 mV,证明该均衡系统可以有效改善电池组的一致性情况。     

锂离子电池系统均衡策略研究进展

相比电池单体,成组后电池系统的容量、寿命和安全性均会大幅度下降,其原因在于内部参数和外部环境导致的不一致性问题。因此,需要均衡管理系统保障电池的一致性,其中均衡策略是关键之一。从均衡动机、均衡目标、均衡算法和均衡策略评价四方面,对国内外电池均衡策略研究进展进行了综述。首先深入分析电池组一致性影响因素,确定均衡动机。其次,从均衡目标出发,总结了电池组、电路和多目标融合三方面研究进展。再次,根据不同的算法分类详细阐述均衡算法。之后,对均衡策略的评价进行总结并提出一种新的评价方法。最后,系统梳理了目前亟待解决的均衡技术关键问题,对未来均衡策略的研究进行了展望。     

一种基于附加电池的锂电池组主动均衡方法

电动汽车使用的串联锂电池组在多次循环充放电后会出现不均衡的现象,导致电池组容量和寿命的减少。为解决这一问题,文中提出了一种基于附加电池的非能耗式充放电主动均衡方法并对均衡电路及均衡控制策略进行设计。该均衡方案在充电时将电压高的单体能量转移给附加电池,在放电时将附加电池的能量转移给电压低的单体电池,实现了能量的自由存储与转移。文中对均衡电路的原理和均衡控制策略进行了分析,并应用MATLAB/Simulink中的Simcape与Stateflow分别对均衡电路及控制策略进行建模与仿真分析。仿真结果表明,该均衡控制方法能快速实现电池组的均衡,且均衡后的电池组可用容量有明显提高。     

锂离子电池开路电压快速估计研究

提出了一种离线式锂离子电池开路电压快速估计方法,在短时间内完成对需要经过长时间搁置才能稳定的开路电压的预估。建立了一个带有权重的电压弛豫模型并利用短时间内搁置电压数据和模型预估值构造损失函数,通过优化算法对损失函数中的参数进行寻优。电池开路电压预估流程包括对电池进行放电,搁置和开路电压预估,整个过程所需时间为30～40 min,即通过30～40 min就可以完成对需要进行数小时静置后才能稳定的开路电压的预估。为了检验此模型的适用性,设计了三元锂电池在不同电池荷电状态(State of charge,SOC)下、不同温度下和以不同的放电倍率放电下开路电压预估的试验,以及设计了电池容量循环衰减试验,并在电池容量衰减后继续对电池开路电压进行预估。试验结果表明,此模型可以通过短时间搁置便能精确地预测电池在不同SOC和不同温度下以及电池容量衰减后的开路电压。提出的离线式锂离子电池开路电压快速估计方法能够快速、准确地预估电池稳定开路电压,在电池SOC以及电池健康状态(State of health,SOH)等状态估计及电池容量估计方面有重要作用,能够大大缩短预估时间。     

面向“双碳”战略目标的锂离子电池生命周期评价：框架、方法与进展

在国家“双碳”重大战略驱动下,锂离子电池在迎来了重大发展机遇的同时,它的全生命周期碳足迹追踪与环境指标评价成为研究热点,在碳排放计算及减碳措施方面遇到严峻挑战。首先,对全生命周期评价的基本框架、基本方法、评价指标等基础共性问题进行简要概述。然后,从锂离子电池可持续发展出发,提出从“摇篮”到“摇篮”的全生命周期闭环评价路线,对电池全生命周期内(包括电池生产、电池使用、梯次利用、电池回收与再制造等环节)各阶段碳排放计算的研究现状与进展进行详细综述,总结各阶段潜在的研究热点与难点,提出一种“技术-生态-价值”综合评价框架。在此基础上,对锂离子电池生命周期价值评价存在的机遇与挑战进行讨论,对资源风险与供应链风险进行分析与梳理。最后,总结与展望了能源脱碳、体系创新、智能制造、优化管理、材料回收、碳捕集等六大潜在的锂离子电池全生命周期减碳措施。     

车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法

精确的电池模型是车用锂离子电池系统状态估计和能量管理的基础.电化学机理模型用途广、精度高,是下一代电池管理系统的重点研究对象.然而,目前电池电化学机理模型建立过程中存在参数获取困难、依赖后期参数标定等问题.为此,提出一种大容量车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法.将电化学机理模型的参数进行分类,对可测量/辨识参数(几何尺寸、正负极初始化学计量比和固相颗粒最大嵌锂浓度等)进行精确的测量和参数辨识.利用不同温度下的脉冲充电试验来标定固相扩散系数Ds和反应速率常数ko进一步地,建立电池产热模型,搭建考虑温度影响的电池电化学-热耦合模型.不同倍率充放电、不同温度下的脉冲放电和动态应力工况测试下试验验证结果显示,所搭建的模型具有很好的精度和适应性,电压平均误差小于10 mV,温度平均误差小于1.1℃.参数敏感性分析结果显示固相扩散系数Ds的减小会导致电极颗粒内部锂离子浓度差变大,从而使得颗粒表面电势提前达到截止电压,降低电池容量;反应速率常数k的减少主要影响电池阻抗,将造成放电电压曲线整体下移和产热增加.所提出的建模方法可以快速高效地建立精度高、普适性好,成本低的电池电化学-热耦合模型.